LA RILEVAZIONE DEL GAS RADON CON I SISTEMI CR-39

LA RILEVAZIONE DEL GAS RADON CON I SISTEMI CR-39

RADON GAS DETECTION WITH CR-39 SYSTEMS

LA RILEVAZIONE DEL GAS RADON CON I SISTEMI CR-39

Come è noto e già analizzato nella sezione approfondimenti di questo sito (RADON: IL PERICOLO NASCOSTO CHE UCCIDESCHEMI COSTRUTTIVI E SOLUZIONI CONFORMI PER LA PREVENZIONE DELL’INQUINAMENTO INDOOR DA GAS RADONLE FIGURE PROFESSIONALI CONNESSE ALLA MISURAZIONE DEL GAS RADON), il Radon (Rn-222) è un gas radioattivo inodore e incolore indicato, dopo il fumo, come la principale causa del cancro ai polmoni che si accumula principalmente in ambienti sotterranei, interrati, seminterrati ed anche al piano terra, ove la ventilazione è ridotta. Nello specifico, ai sensi del D.Lgs. 101/2020 i nuovi livelli massimi di riferimento per le abitazioni ed i luoghi di lavoro della concentrazione di Radon in aria, sono:

  • 300 Bq/mc anno PER LE ABITAZIONI ESISTENTI
  • 200 Bq/mc anno PER ABITAZIONI COSTRUITE DOPO IL 31 DICEMBRE 2024
  • 300 Bq/mc anno PER I LUOGHI DI LAVORO
  • 6 mSv/anno DOSE EFFICACE ASSORBITA

Dall’esperienza derivata dall’esecuzione di misurazioni di concentrazione, si osserva che in Italia, il gas Radon è ben presente: si sono riscontrati livelli di 300 – 1000 Bq/mc ai piani seminterrati e livelli significativi anche sino al primo piano sopra il livello stradale (60-80 Bq/mc).

In tal senso assume fondamentale importanza una valutazione o prevalutazione del livello di gas Radon in tutti i casi di acquisto o affitto di locali (abitazioni – “tavernette” ma anche e soprattutto negozi ed attività commerciali) in cui è prevista una permanenza temporale significativa di persone.

Tra i metodi di rilevazione che possono essere utilizzati, il più semplice, ma anche il più affidabile, è costituito dai dosimetri passivi CR-39 (Columbia Resin 39 TM). In particolare, i dosimetri sono dispositivi passivi che consentono di realizzare misure prolungate di concentrazione di radon negli ambienti confinati e sono la tecnica d’elezione utilizzata in ogni contesto internazionale per lo svolgimento di estese campagne di misura.

I COMPONENTI DI UN DOSIMETRO CR-39
Il dosimetro CR-39 si compone di due componenti: 

  • il contenitore (holder) di alloggiamento permeabile al radon.
  • l’elemento sensibile alla radiazione emessa dal radon (rivelatore) costituito da una lastrina di materiale plastico

  • L’holder, detto anche camera di diffusione, è un piccolo contenitore in polipropilene ed è costituito da due parti: una base che contiene un telaio di dimensioni appropriate ed un guscio di chiusura. Gli holder utilizzati per assemblare i dosimetri non presentano aperture macroscopiche (dosimetri chiusi). I dosimetri chiusi permettono l’ingresso del gas radon tramite diffusione naturale attraverso piccole intercapedini presenti tra il coperchio e il fondo dell’holder ed impediscono l’ingresso della polvere e dei prodotti di decadimento del Radon e del Thoron.
  • I rivelatori CR-39 utilizzati sono, invece, delle lastrine sottili, quadrate (2.5 cm di lato) e trasparenti, il cui polimero costituente è il CR-39 o poliallil-diglicol-carbonato (PADC), si tratta di un polimero plastico appartenente alla classe dei poliesteri. I CR-39 hanno una densità di 1.30 g/cm3 e un’ottima resistenza chimica.
    Questi rivelatori sono ottimali in quanto, avendo piccole dimensioni, offrono il vantaggio di un utilizzo in grandi quantità in condizioni di maneggevolezza; è possibile archiviarli già trattati in modo che essi rimangano sempre disponibili per eventuali ripetizioni delle misurazioni. Le misurazioni sono indipendenti dalle condizioni ambientali (non influenzati da temperature fino a 110°C e da intervalli di umidità compresi tra il 5% ed il 95%), danno una risposta su un ampio intervallo di energia (200 keV – 14 MeV) e hanno una bassa soglia di rivelazione.

Ogni rivelatore reca inciso in alto un numero e nella parte sinistra il corrispondente codice meccanografico, utilizzato poi dal software di analisi per l’identificazione automatica.

Una volta confezionato il dosimetro, ovvero, una volta posizionato il rivelatore nell’holder, questo viene chiuso; per evitare che il rivelatore venga irraggiato dal radon presente nell’ambiente prima dell’esposizione nel locale da monitorare, il dosimetro viene conservato in una bustina di plastica “radon-proof” che ne garantisce l’integrità fino al momento dell’esposizione.

IL PRINCIPIO DI RILEVAMENTO
All’interno del dosimetro, il radon decade producendo sul rivelatore una densità di tracce proporzionale all’esposizione. In questo tipo di rivelatori è possibile mantenere il controllo della qualità, poiché l’elemento sensibile (rivelatore) è protetto dalla maggior parte degli agenti ambientali e dalla luce; in tal modo misura l’esposizione al solo gas radon. Il principio fisico della misura consiste nella capacità della radiazione α emessa dal radon e dai relativi prodotti di decadimento (figli) di produrre delle tracce nella plastica del rivelatore, che opportunamente evidenziate con un trattamento chimico, vengono poi contate con un sistema di lettura e interpretazione delle tracce stesse. a somma dei conteggi delle tracce del rivelatore è direttamente proporzionale alla a concentrazione di radon dell’ambiente nel quale il dosimetro è stato esposto e, naturalmente, al tempo di esposizione.

Per determinare la concentrazione di radon è necessario pertanto conoscere, con precisione, non solo il numero di tracce ma anche il tempo di esposizione.
Quindi, I rivelatori a tracce nucleari CR-39 rimangono impressi quando particelle ad elevata energia, come le particelle α, vi passano attraverso, danneggiando così le molecole del materiale che incontrano sulla traiettoria. Questo danneggiamento origina delle “tracce”. Le tracce, le cui dimensioni sono pari ad alcuni nanometri, non sono visibili macroscopicamente ed è necessario ingrandirle con un attacco chimico utilizzando una sostanza fortemente corrosiva come la soda caustica, rendendole così visibili con un microscopio ottico; con tale trattamento infatti le tracce raggiungono dimensioni di circa 15 µm.

IL TRATTAMENTO CHIMICO PER LA LETTURA DEL DOSIMETRO
I rivelatori, estratti dai dosimetri, sono quindi posizionati su appositi telai in acciaio e sottoposti ad attacco chimico.
La procedura del trattamento chimico consiste nell’immersione dei rivelatori prima in una soluzione di idrossido di sodio 6.25 M a temperatura di 98°, per un tempo di 55’; successivamente i rivelatori vengono risciacquati in acqua distillata e quindi immersi in una seconda soluzione di acido acetico al 2% per una durata di 30’. Infine i rivelatori vengono risciacquati a lungo in acqua distillata e disposti ad asciugare in stufa per almeno 20’.
L’intera procedura ha durata di circa 3 ore a partire dal raggiungimento della temperatura di lavoro e della verifica della densità della soluzione, che deve essere pari a ρ= 1.181 g/cm3 .

LA METODOLOGIA DI LETTURA DEL DOSIMETRO
Per la lettura e analisi delle tracce dei rivelatori è utilizzato un sistema hardware e software dedicato, generalmente costituito da un microscopio ottico, da un supporto motorizzato per i telai che contengono i rivelatori e da un computer con il software di analisi delle immagini. Il sistema è basato sull’analisi morfologica delle tracce (volgarmente detti “buchi”), individuate con il microscopio a luce trasmessa collegato ad una fotocamera che invia le immagini al software di analisi. Il principio di identificazione delle tracce è il seguente: il primo passo del processo di analisi dell’immagine è il riconoscimento dell’oggetto nel campo visivo. Il passo successivo è la classificazione dell’oggetto (event) mediante specifici criteri di selezione; i parametri che determinano tali criteri sono la forma, la grandezza ed il contrasto ottico. Tali parametri stabiliscono se l’oggetto è da associare ad una traccia provocata da una particella α.

 

Il termine event si riferisce ad un oggetto visto dal software a partire dall’immagine proveniente dal microscopio. Esso viene classificato inizialmente come un event o una probabile traccia di particella α. Un event può essere sia la vera e propria traccia di una particella α sia una lesione di altro tipo, che viene pertanto scartata dal software. L’analisi caratterizza ogni traccia, mediante 19 valori misurati, dei quali 5 sono le dimensioni caratteristiche utilizzate per individuare il tipo e la dimensione della cavità generata con l’attacco chimico, come esplicitato nella figura seguente:

Le misure caratteristiche della traccia prodotta sul rivelatore da una particella α sono:

  • L’asse maggiore [Mj];
  • l’asse minore [Mi] dell’imboccatura del foro (l’intersezione della traccia con la superficie della plastica);
  • la lunghezza totale della traccia proiettata sul piano orizzontale [Xt];
  • il doppio del raggio di curvatura della traccia [m];
  • la profondità totale della traccia [Zt].

I primi 4 parametri vengono misurati dal software; la profondità, Zt, viene stimata dalle altre dimensioni e da quanto la parte terminale della traccia si trova fuori fuoco.
I restanti parametri sono caratteristici dell’immagine di una traccia e vengono usati per discriminare fra tracce reali e rumore.

La densità di tracce lasciate dalle particelle α sul rivelatore consente di determinare, utilizzando un fattore di calibrazione, una grandezza detta “esposizione” direttamente proporzionale ai decadimenti del radon avvenuti nella camera di diffusione durante il periodo di esposizione.
La concentrazione media di radon presente nell’ambiente nel quale è stato esposto il dosimetro, si determina dal rapporto tra l’esposizione (E) e il tempo(t), espresso in ore, trascorso nell’ambiente in esame con la formula:

C = E / (1000 * t) [Bq/m3]

Per ogni rivelatore l’esposizione è valutata dal software, come prodotto tra la densità di tracce nette (dovute alla sola radiazione α del radon) e il fattore di taratura (FT), espresso in kBq*h/m3 per unità di densità di tracce, con la formula:

E [kBq*h/m3] = Densità di tracce nette * FT 

Il limite di rilevabilità del sistema CR-39 è di 2 Bq/m3 per periodo di esposizione di sei mesi. L’attività di rilevazione corretta va effettuata per cicli di 6+6 mesi. Alcune ASL ammettono anche rilevazioni minime di 3 mesi ma non per ambienti di lavoro, ove la rilevazione è sempre annuale.

Fonti:

  • Regione Autonoma della Sardegna – Piano Regionale di Prevenzione 2014-2018 – “Promozione di buone pratiche in materia di sostenibilità ed eco-compatibilità nella costruzione/ristrutturazione di edifici per il miglioramento della qualità dell’aria indoor” – Gennaio 2019
  • UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTA’ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI – CORSO DI LAUREA IN FISICA – “Misure di Radon con la tecnica dei rivelatori a tracce CR-39. Progettazione ed applicazioni” – TESI DI LAUREA – Massimo Aranzulla 

Geom. Leonardo Moretti – ZED PROGETTI srl

As known and already analysed in the in-depth section of this site (RADON: THE DANGER THAT KILLES, THE PROFESSIONAL FIGURES CONNECTED TO THE MEASUREMENT OF RADON GAS), Radon (Rn-222) is an odourless and colourless radioactive gas indicated, after smoking, as the main cause of lung cancer that accumulates mainly in underground, basement and basement environments and also on the ground floor, where ventilation is reduced. Specifically, pursuant to Legislative Decree 101/2020, the new maximum reference levels for homes and workplaces for the concentration of Radon in the air are:

300 Bq/mc per year FOR EXISTING HOUSES
200 Bq/mc per year FOR LODGINGS CONSTRUCTIONS AFTER 31 DECEMBER 2024
300 Bq/mc year FOR WORK PLACES
6 mSv/year EFFECTIVE ABSORBITIVE DOSE

From experience derived from concentration measurements, we can observe that in Italy, Radon gas is well present: levels of 300 – 1000 Bq/mc at basement floors and significant levels even up to the first floor above street level (60-80 Bq/mc) have been found.

So, an evaluation or prevalence of the level of Radon gas is of fundamental importance in all cases of purchase or rental of premises (houses but also and above all shops and commercial activities) where a significant number of people are expected to stay for a long time.

Among the detection methods that can be used, the simplest, but also the most reliable, is the CR-39 passive dosimeter (Columbia Resin 39 TM). In particular, dosimeters are passive devices that make it possible to carry out prolonged measurements of radon concentration in confined environments and are the technique of choice used in any international context for carrying out extensive measurement campaigns.

THE COMPONENTS OF A CR-39 DOSIMETER
The CR-39 dosimeter consists of two components:
the radon permeable housing (holder).
the radiation-sensitive element emitted by radon (detector) consisting of a plastic plate

The holder, also called diffusion chamber, is a small polypropylene container and consists of two parts: a base that contains a frame of appropriate size and a closing shell. The holders used to assemble the dosimeters have no macroscopic openings (closed dosimeters). The closed dosimeters allow the entry of radon gas through natural diffusion through small cavities between the lid and the bottom of the holder and prevent the entry of dust and Radon and Thoron decay products.
The CR-39 detectors used are, instead, thin, square (2.5 cm side) and transparent plates, whose constituent polymer is CR-39 or polyallil-diglycol-carbonate (PADC), it is a plastic polymer belonging to the polyester class. CR-39 has a density of 1.30 g/cm3 and excellent chemical resistance.
These detectors are optimal because, since they are small in size, they offer the advantage of being used in large quantities under easy handling conditions; it is possible to store them already treated so that they remain always available for possible repetitions of measurements. The measurements are independent of ambient conditions (not affected by temperatures up to 110°C and humidity ranges between 5% and 95%), give a response over a wide energy range (200 keV – 14 MeV) and have a low detection threshold.
Each detector has a number engraved on the top and the corresponding mechanographic code on the left side, which is then used by the analysis software for automatic identification.

Once the dosimeter has been packaged, i.e. once the detector has been placed in the holder, it is closed; to prevent the detector from being irradiated by radon present in the environment before exposure in the room to be monitored, the dosimeter is stored in a “radon-proof” plastic bag which guarantees its integrity until exposure.

THE DETECTION PRINCIPLE
Inside the dosimeter, radon decays producing on the detector a trace density proportional to the exposure. In this type of detector it is possible to maintain quality control, since the sensitive element (detector) is protected from most environmental agents and light; in this way it measures exposure to radon gas alone. The physical principle of the measurement consists in the capacity of the α radiation emitted by the radon and its decay products (children) to produce traces in the detector plastic, which are suitably highlighted with a chemical treatment and then counted with a system of reading and interpretation of the traces themselves. he sum of the detector trace counts is directly proportional to the radon concentration of the environment in which the dosimeter has been exposed and, of course, to the exposure time.
To determine the radon concentration it is therefore necessary to know, with precision, not only the number of traces but also the exposure time.
Thus, CR-39 nuclear trace detectors remain impressed when high-energy particles, such as α particles, pass through them, thus damaging the molecules of the material they encounter on their trajectory. This damage results in “traces”. The traces, whose size is equal to a few nanometres, are not visible macroscopically and it is necessary to magnify them with a chemical attack using a highly corrosive substance such as caustic soda, thus making them visible with an optical microscope; with this treatment the traces reach a size of about 15 µm.

THE CHEMICAL TREATMENT FOR THE DOSIMETER READING
The detectors, extracted from the dosimeters, are then placed on special steel frames and subjected to chemical attack.
The chemical treatment procedure consists of first immersion of the detectors in a 6.25 M sodium hydroxide solution at a temperature of 98° for a time of 55′; then the detectors are rinsed in distilled water and then immersed in a second solution of 2% acetic acid for a duration of 30′. Finally, the detectors are rinsed for a long time in distilled water and then arranged to dry in the stove for at least 20′.
The entire procedure lasts about 3 hours from reaching the working temperature and verifying the density of the solution, which must be equal to ρ= 1,181 g/cm3 .

DOSIMETER READING METHODOLOGY
A dedicated hardware and software system is used to read and analyse the detector traces, generally consisting of an optical microscope, a motorised support for the frames containing the detectors and a computer with image analysis software. The system is based on the morphological analysis of the traces (vulgarly called “holes”), identified with the transmitted light microscope connected to a camera that sends the images to the analysis software. The principle of trace identification is as follows: the first step of the image analysis process is the recognition of the object in the visual field. The next step is the classification of the object (event) using specific selection criteria; the parameters that determine these criteria are shape, size and optical contrast. These parameters determine whether the object is to be associated with a trace caused by an α particle.

The term event refers to an object seen by the software from the image coming from the microscope. It is initially classified as an event or a probable trace of an α particle. An event can be either the real trace of an α particle or a lesion of another type, which is therefore discarded by the software. The analysis characterises each trace, using 19 measured values, of which 5 are the characteristic dimensions used to identify the type and size of the cavity generated with the chemical attack, as explained in the figure.

The characteristic measurements of the trace produced on the detector by an α particle are:
The major axis [Mj];
the minor axis [Mi] of the hole opening (the intersection of the trace with the plastic surface);
the total length of the trace projected on the horizontal plane [Xt];
twice the radius of curvature of the track [m];
the total depth of the track [Zt].
The first 4 parameters are measured by the software; the depth, Zt, is estimated from the other dimensions and from how much the end of the track is out of focus.
The remaining parameters are characteristic of the image of a track and are used to discriminate between real tracks and noise.

The density of traces left by the α particles on the detector allows to determine, using a calibration factor, a quantity called “exposure” directly proportional to the radon decays occurred in the diffusion chamber during the exposure period.
The average radon concentration present in the environment in which the dosimeter was exposed is determined by the ratio between the exposure (E) and the time (t), expressed in hours, spent in the environment under examination with the formula:

C = E / (1000 * t) [Bq/m3].

For each detector the exposure is evaluated by the software, as the product between the net trace density (due to radon radiation α only) and the calibration factor (FT), expressed in kBq*h/m3 per unit of trace density, with the formula:

E [kBq*h/m3] = Net trace density * FT

The detection limit of the CR-39 system is 2 Bq/m3 per six-month exposure period. The correct detection activity must be performed for cycles of 6+6 months. Some Local Health Authorities also allow minimum detection of 3 months but not for work environments, where detection is always annual.